基于超强耦合超构原子的CMOS集成太赫兹近场传感器设计

近年来，电磁波谱中的太赫兹（THz）部分已被证明是推动大量新研究方向的有利平台。其中一个例子就是基于超构材料（metamaterial）的等离子体领域。它涉及许多新的现象，例如频谱调制、波前操控、偏振转换和有源超构材料等。太赫兹频率范围内超构材料最有前途的应用领域之一是生物传感。

在太赫兹频率，基于超构材料的方法已占据领先地位，为集成到完整的芯片实验室（lab-on-chip）器件铺平了道路。最近的文献报道表明，用于生物传感、介电光谱和近场成像功能的全集成电子解决方案正逐步扩展到亚太赫兹（sub-THz）和太赫兹频率范围。

使用超构材料进行生物传感的最常见方法仍然是将介电材料覆盖在谐振结构的表面，从而改变谐振器的特性并使其谐振频率发生偏移。随后，通过基于远场传感的传输实验（见图1）来测量频率偏移。在太赫兹频率，人们一直在努力提高基于谐振频移的传感器的灵敏度水平，以满足生化诊断领域既定方法的标准。

图1 基于谐振频移的生物传感

据麦姆斯咨询报道，近日，波兰科学院高压物理研究所（Institute of High Pressure Physics PAS）和立陶宛维尔纽斯大学（Vilnius University）的研究人员组成的团队提出了一种全电子方法，利用近场耦合电子传感器实现了最先进的灵敏度。所提出的概念能够有效地实现和探测所谓的超强耦合亚波长超构原子（meta-atom）以及单个谐振电路，可使被测材料的体积限制在几皮升的范围内。该传感器已单片集成到具有成本效益的硅基CMOS技术中。本文的研究结果得到了数值和分析模型的支持，并通过实验进行了验证。这些成果为未来的研发奠定了基础，勾勒出了太赫兹微流控芯片实验室介电光谱传感器的前景。上述成果以“A CMOS-integrated terahertz near-field sensor based on an ultra-strongly coupled meta-atom”为题发表于Scientific Reports期刊上。

基于太场效应晶体管（TeraFET）的近场传感器设计

研究人员提出了一种在亚太赫兹频率下工作的近场传感器解决方案（图2）。

图2 基于近场TeraFET探测器的传感器概念的示意图

研究人员设计了两种不同的狭缝-偶极子（slot-dipole）天线，并采用台积电（TSMC）的180 nm硅基CMOS工艺制造。其中一种被设计为谐振频率为350 GHz，并在更高频率处会出现快速衰减（图2b中的结构A），而另一种的谐振频率为235 GHz，并在较宽的频率范围内具有几乎平坦的响应（图2c中的结构D）。这两种天线的环外径相同，均为452 µm。由于D型天线是为低频设计的，因此与A型天线的狭缝（边长为100 µm、边缘倒角为25 × 25 µm的正方形孔）相比，它的狭缝更大（直径为164 µm的圆形）。此外，两种天线的传输线设计也不同。

得益于多层金属-介电结构，CMOS技术为探索太赫兹应用中基于超构材料的场效应晶体管（FET）解决方案提供了充分的自由度。因此，研究人员设计了一种工作在350 GHz的开口环谐振器（SRR），其面积为70 × 30 um2，间隙为10 µm，金属化宽度为5 µm。该SRR具有与350 GHz天线相同的谐振频率，可与之电磁耦合。

天线位于距离自由空间最近、距离衬底最远的金属层。因此，它对施加到间隙近场的介电负载非常敏感。单独的天线/耦合到SRR的天线的阻抗特性的频谱变化会直接转化为FET整流信号的变化。因此，覆盖介电材料的天线的TeraFET探测器将给出与未覆盖介电材料的探测器不同的信号。因此，可通过从衬底侧施加的远场太赫兹辐射来探测被测试材料的近场介电特性。特别是，在图2中，研究人员展示了通过基于耦合谐振器的TeraFET探测器进行近场检测的概念可视化。图2c和2d显示了两种不同方案中的太赫兹检测机制：一种基于独立天线；另一种基于天线耦合到SRR的耦合谐振器。

近场传感方法的验证

为了对传感器的适用性进行实验验证，研究人员重点研究了基于235 GHz天线的探测器和基于耦合谐振器的探测器（350 GHz谐振天线与SRR耦合）对水和乙醇的响应。

传感器所需的太赫兹源部分可以进一步优化。图3展示了研究人员使用内部设计的基于CMOS的太赫兹发射器进行光谱实验的结果，该发射器可在248-261 GHz频率范围内进行调谐。发射器采用了针对三次谐波发射进行优化的Colpitts振荡器概念，由台积电代工厂提供的65 nm CMOS技术制造。图3a展示了使用全电子CMOS制造的发射器-传感器对的实验设置。

图3 传感实验的设置及结果

在相同的自由空间准光学设置中，连续波光混频器源（太赫兹源三号）被用于探测近场介电特性。基于235 GHz天线的探测器和基于耦合谐振器的探测器在255–260.5 GHz频率范围内对乙醇和水的响应分别如图3b和3c所示。

最后，研究人员使用基于235 GHz谐振天线的探测器进行了一组实验，以确定水溶液中材料的最低可分辨摩尔浓度的检测下限（LDL），并与当前最先进技术进行了比较（图4）。

图4 水中含乙醇混合物的实验测量结果以及与最先进技术的比较

综上所述，这项研究报道了基于太赫兹近场谐振器的传感器的设计和表征结果，该传感器采用180 nm CMOS技术制造，并具有集成天线的场效应晶体管。根据谐振器近场内相对介电常数变化引起的谐振曲线偏移原理，提出的传感器提供了一种独特的片上检测机制。此外，该传感器具有当前太赫兹传感技术前沿的更低检测极限值，并且无需通过共轭机制和聚合酶链式反应等放大灵敏度或特异性的方法，就能以无标记的方式对水环境中的有机分析物实现检测。

总之，这项研究成果不仅有助于加深人们当前对太赫兹近场传感的理解，而且还为高频微流控芯片实验室介电光谱传感器的开发奠定了基础。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-61971-x

 

审核编辑：刘清